DNA不打結(jié)的秘密

DNA不打結(jié)的秘密

DNA環(huán)能讓細(xì)菌聚集在局部區(qū)域。圖片來源：L.Mirny

Leonid Mirny在辦公椅上轉(zhuǎn)了一圈，抓起電腦的電源線，用手指繞出了一個(gè)甜甜圈大小的環(huán)。“這就是馬達(dá)蛋白不斷擠壓成環(huán)的動(dòng)態(tài)過程！”美國(guó)麻省理工學(xué)院生物物理學(xué)家Mirny興奮地說。

但讓Mirny興奮的原因并不是將電腦配件收拾整齊，而是基因組的一個(gè)核心組織原則——約2米長(zhǎng)的DNA是如何被壓縮到人體的幾乎每個(gè)細(xì)胞中，而沒有像圣誕彩燈一樣纏成一團(tuán)亂麻的。

他認(rèn)為DNA不斷穿過環(huán)狀的馬達(dá)蛋白，從而形成了環(huán)。這一過程被稱為環(huán)擠壓，它有助于將DNA局部區(qū)域維系在一起，與基因組的其他部分分開，甚至還協(xié)助了染色體形成一定的形狀和結(jié)構(gòu)。

過去幾十年來，科學(xué)家也探討過相似的假說，但在基因組3D結(jié)構(gòu)研究大發(fā)展的當(dāng)代，Mirny的模型，以及美國(guó)貝勒醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)家Erez Lieberman Aiden提出的一個(gè)類似的模型，讓這些假說在分子細(xì)節(jié)層面上升到了新的高度。這些模型巧妙地解釋了一些知名基因研究項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，并因此備受關(guān)注。

然而，這些簡(jiǎn)單的解釋仍然存在爭(zhēng)議。盡管人們已明確基因組成環(huán)會(huì)調(diào)控基因表達(dá)，并且可能與細(xì)胞發(fā)育和癌癥等疾病相關(guān)，但這些模型的預(yù)測(cè)已經(jīng)超出了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)觀測(cè)范圍。

首先，成環(huán)的分子機(jī)制仍然是謎。如果主要的候選蛋白如同Mirny所預(yù)測(cè)的那樣充當(dāng)動(dòng)力“馬達(dá)”，那它就會(huì)以前所未見的速度消耗能量。“我的一個(gè)物理學(xué)家朋友告訴我，‘這就是你的領(lǐng)域中的希格斯玻色子’。”Mirny說，它能解釋基因組生物學(xué)最深的奧秘之一，但可能需要多年時(shí)間才能獲得驗(yàn)證。

盡管Mirny的模型與Lieberman Aiden的模型極為相似，但辨清誰才是正確的并不僅僅是個(gè)細(xì)節(jié)問題。英國(guó)牛津大學(xué)染色體研究者Kim Nasmyth說，如果Mirny正確，“就將是DNA酶學(xué)界一場(chǎng)徹底的革命”，究竟是什么驅(qū)動(dòng)了環(huán)的形成“是目前基因組生物學(xué)領(lǐng)域最大的難題”。

基因成環(huán)

30多年前，遺傳學(xué)家就知道基因組可以形成環(huán)，使調(diào)控因子接近它們所控制的基因，但并不清楚這些環(huán)是如何形成的。

多年來，一些研究者分別提出了環(huán)擠壓理論的不同版本。第一個(gè)是美國(guó)希望之城貝克曼研究所遺傳學(xué)者Arthur Riggs，在一篇被忽視的1990年論文中，他率先提出一個(gè)“DNA成卷”的想法。但人們普遍認(rèn)為首先提出該概念的是Nasmyth。

按照Nasmyth的說法，2000年的某一天，他在意大利阿爾卑斯山區(qū)登山后產(chǎn)生了這個(gè)想法。那時(shí)，他和同事剛剛發(fā)現(xiàn)環(huán)狀的黏連蛋白，這種蛋白復(fù)合體的主要作用是在細(xì)胞分裂時(shí)幫助分離染色體拷貝。在擺弄自己的登山工具時(shí)，Nasmyth突然意識(shí)到，染色體可能是主動(dòng)穿過黏連蛋白或者相關(guān)的復(fù)雜凝縮蛋白的，就像繩子繞過登山扣一樣。“這似乎解釋了一切。”他說。

在一篇長(zhǎng)達(dá)73頁的綜述中，Nasmyth用幾個(gè)段落描述了這個(gè)想法。“根本沒人注意到它。”他說。就連美國(guó)西北大學(xué)生物物理學(xué)家John Marko也沒有對(duì)此提起注意——正是他在十多年后建立了與Nasmyth文字論證相補(bǔ)充的數(shù)學(xué)模型。

大約5年后，Mirny也加入了該行列。他希望能解釋其長(zhǎng)期合作者、麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物學(xué)家Job Dekker編制的數(shù)據(jù)集。Dekker一直在利用Hi-C技術(shù)尋找染色體不同位置間的物理相互作用。

Dekker及合作者生成的Hi-C快照揭示出了明顯呈不同區(qū)隔的環(huán)，其相互作用發(fā)生在20萬～100萬堿基長(zhǎng)的離散DNA片段間。

這些“拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域”（TAD）就像一列擁擠的火車上的車廂。人們能在同一節(jié)車廂中走動(dòng)，接觸其他乘客，但只有穿過車廂盡頭的門才能與相鄰車廂的乘客互動(dòng)。人類基因組長(zhǎng)達(dá)30億核苷酸，但大多數(shù)相互作用發(fā)生在局部TAD區(qū)域內(nèi)。

其中，一個(gè)關(guān)鍵的線索是CTCF蛋白。人們已經(jīng)知道，它在未凝集染色體的每個(gè)環(huán)的基部與黏連蛋白相互作用。Mirny的模型假設(shè)CTCF是黏連蛋白的一個(gè)終止標(biāo)志。如果黏連蛋白只在正在形成的環(huán)的每一側(cè)都遇到CTCF時(shí)才停止擠壓DNA，蛋白就會(huì)自然結(jié)合在一起。

加州大學(xué)舊金山分校生物物理學(xué)家Geoff Fudenberg表示，提出黏連蛋白發(fā)揮了驅(qū)動(dòng)作用是“一個(gè)巨大的跨越”。“沒有人曾在活細(xì)胞中，甚至體外觀察到過這些馬達(dá)蛋白發(fā)揮這樣的作用，但利用這一原理，數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)出的所有不同特征都能得到統(tǒng)一。”他說。

多重發(fā)現(xiàn)

Lieberman Aiden提到，他在2015年3月的一個(gè)電話會(huì)議中首次產(chǎn)生了環(huán)擠壓的想法。那時(shí)，他和前導(dǎo)師、博德研究所遺傳學(xué)家Eric Lander已經(jīng)發(fā)表了當(dāng)時(shí)分辨率最高、最為詳細(xì)的Hi-C人類基因組圖譜。

在電話會(huì)議中，Lieberman Aiden試圖解釋數(shù)據(jù)中一個(gè)奇怪現(xiàn)象。幾乎所有固定環(huán)的CTCF結(jié)合點(diǎn)都有相同的方向。他意識(shí)到，作為擠壓的終止標(biāo)志，CTCF具有固有的方向性。就像同司機(jī)不必理會(huì)交叉路口中與他們前進(jìn)方向不同的停車標(biāo)志，環(huán)擠壓因子也會(huì)一直通過CTCF位點(diǎn)，除非終止標(biāo)志朝向的是正確的方向。

Lieberman Aiden實(shí)驗(yàn)室通過系統(tǒng)敲除CTCF結(jié)合位點(diǎn)測(cè)試了這一模型，并重新繪制了Hi-C染色體圖譜。得到的數(shù)據(jù)再一次與模型吻合。2015年7月，團(tuán)隊(duì)投出了他們的論文，并在三個(gè)月后發(fā)表。

實(shí)際上，Mirny于2015年8月在bioRxiv發(fā)布的文章用計(jì)算機(jī)模擬解釋了CTCF的方向偏好。而這兩種模型做出了同樣的預(yù)測(cè)，這使得一些人猜測(cè)Lieberman Aiden的想法是不是來自Mirny的論文。但Lieberman Aiden堅(jiān)稱自己獨(dú)立提出了他的模型。“我們?cè)诳吹剿麄兊氖指迩熬吞峤涣宋恼拢彼f。

不過，這兩個(gè)模型間存在微小差別。Mirny用來描述他模型的漫畫顯示，擠壓過程由一個(gè)黏連蛋白的環(huán)完成，而Lierberman Aiden的模型中有兩個(gè)呈手銬狀連接的環(huán)。

英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)家Suzana Hadjur稱，在確定黏連蛋白在擠壓過程中扮演的角色時(shí)，這一機(jī)制上的細(xì)微差別“絕對(duì)是基礎(chǔ)性的”。

此外，Lieberman Aiden和Mirny在黏連蛋白在環(huán)形成過程中的核心貢獻(xiàn)上持有不同意見。Mirny堅(jiān)持該蛋白是成環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，而Lieberman Aiden反對(duì)這種觀點(diǎn)，他猜測(cè)是其他因子在驅(qū)動(dòng)黏連蛋白移動(dòng)。

細(xì)菌電池

可能最接近于證實(shí)黏連蛋白發(fā)揮著馬達(dá)作用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表于今年2月。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院細(xì)菌細(xì)胞生物學(xué)家David Rudner和同事制作了枯草芽孢桿菌的延時(shí)Hi-C圖譜。該圖譜顯示，細(xì)菌中與黏連蛋白和凝縮蛋白等效的蛋白復(fù)合體SMC沿著染色體壓縮，并以每分鐘超過5萬DNA堿基的速度成環(huán)。這一速度與研究者所估計(jì)的Mirny模型在人類細(xì)胞中發(fā)揮作用所需的速度相當(dāng)。

雖然，Rudner尚未證明SMC在這一過程中利用了能提供能量的三磷酸腺苷（ATP），但他表示自己已經(jīng)很接近了；如果黏連蛋白在人類細(xì)胞中的工作方式與之不同的話，他會(huì)“大吃一驚”。

到目前為止，關(guān)于黏連蛋白究竟在細(xì)胞內(nèi)做了什么（或者沒做什么）的爭(zhēng)論仍甚囂塵上。許多研究者，包括加州大學(xué)伯克利分校細(xì)胞生物學(xué)家Doug Koshland，堅(jiān)持認(rèn)為需要對(duì)Mirny的看法保有合理的懷疑。“我擔(dān)心環(huán)擠壓模型已經(jīng)被寫進(jìn)了教科書，盡管現(xiàn)在還不是時(shí)候。”他說。

此外，Mirny指出，盡管這似乎只是專家間的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論，但如果他的模型是正確的，也將會(huì)對(duì)人們的生活產(chǎn)生影響。例如，在癌癥中，黏連蛋白常常發(fā)生突變，CTCF位點(diǎn)也會(huì)改變。人們也在一些人類發(fā)育障礙中發(fā)現(xiàn)了黏連蛋白缺陷。Mirny表示，如果環(huán)擠壓過程是這些疾病背后的原因，或許更深入地理解馬達(dá)蛋白將有助于解決這些問題。

但他的主要興趣仍在基礎(chǔ)問題上。他只想了解為什么DNA是以現(xiàn)在的方式裝配的。與此同時(shí)，盡管他的模型對(duì)黏連蛋白做了大量假設(shè)，但“問題是除此之外，我并不知道任何能解釋這些環(huán)的形成的其他方式。”Mirny說。（張章編譯）